渗透固结装置的研制及在实践教学中的应用

张季如，曹承品

（武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070）

土的强度、变形和渗透特性是土力学研究的土的三个主要工程性质，三者之间通过有效应力原理联系在一起，构成了经典土力学的理论体系[1]。固结是土体在外力作用下，内部应力变化引起体积变化，同时部分孔隙水从土中挤出的压密过程。土的固结和渗透性关系密切，二者对土的工程性状有很大影响，与建筑物地基的沉降、稳定和渗流等问题密切联系，是大学土力学的理论教学和实践环节中的重要内容之一。

土的固结特性可通过固结试验来研究。传统的固结仪具有结构简单、操作简便、成本低等优点，已被广泛应用于工程试验和土力学的实践教学环节。但这种固结仪不能测定土的渗透系数，也不能测量固结过程中孔压的变化规律。土的渗透系数可由渗透试验来测定，但无论是常水头还是变水头的渗透试验，均不能直接测定固结压力下土的渗透系数。近年来引进的一些先进的多功能、全自动三轴试验系统，虽然可以满足相关试验的要求，但仪器造价昂贵、操作复杂、使用成本高，而且数量有限，主要用于科研试验。若用于教学试验，主要也是演示性的，学生难有机会上机动手操作。

为了能够测定土在固结过程中的渗透系数和孔压变化，国内一些学者曾对传统的固结仪进行改造[2-5]，使之具有开展固结试验和渗透试验的功能。改造后的这些试验装置基本满足了功能要求，但在试验数据的自动采集和分析处理等方面还有待提高。本文借鉴传统固结仪的构造和前人经验，研制了一种可自动采集孔压的渗透固结装置[6]，主要用于研究生的实践教学和大学生科技创新活动，旨在培养学生的综合性、创新性实验技能。

1 渗透固结装置

1.1 装置的构成

渗透固结装置由杠杆加载系统、固结筒、活塞、底座、孔压计、百分表、进水管、出水管、变水头管、供水瓶、计算机数据处理系统等构成，如图1 所示。固结筒与底座通过固定装置连接，能从底座上方便拆卸，便于清洗和维护。

图1 渗透固结装置的构成

1）杠杆加载系统。

渗透固结装置的加载系统采用了传统固结仪的杠杆式加载方式。考虑到渗透固结容器比传统固结仪的固结容器更高，故将传统固结仪的传力钢杆加长，替换成长度为45 cm 的传力钢杆。

2）渗透固结容器。

渗透固结容器由固结筒和活塞构成，均采用耐锈蚀的黄铜制作。固结筒高75 mm，外径79 mm，内径与活塞外径相匹配。活塞直径61.8 mm，高25 mm，活塞顶部的两侧各设一个排水孔和排气孔。排气孔可用螺母密封，排水孔用橡胶管与出水管连接。活塞侧壁设有2 道凹槽，放置O 形密封圈，活塞底部设有十字形和环形压槽，方便排水、排气。

3）底座。

底座高25 mm，外径140 mm，内径与固结筒外径相匹配。底座一端设有1 个G1/8 规格的螺栓孔，用来连接孔压传感器，另一端是进水管嘴，用橡胶管与进水管相连。底座上端边沿处设有一道环形压槽，用来放置O 形密封圈，其功能是加强底座与固结筒连接处的密封性能，防止连接处漏水。与活塞一样，在底座上端的中心处，也开凿了十字形和环形压槽，方便水的流动。底座下端中心处设有一个定位槽，便于底座固定在加压台面上。

4）测量系统。

测量系统用于变形测量、水头测量和孔压测量。试样的竖向固结变形采用百分表测量，精度0.001 mm，量程0~10 mm。水头测量采用内径6 mm、长度1 m、分度值1 mm 的玻璃管，玻璃管壁需厚度均匀，刻度清晰，并安放在靠近固结筒的位置，以减小管路阻力对渗透压力造成的影响。孔压的测量可采用YB-60A精密数显孔压计或者扩散硅精密数字压力计，后者具有温度自动补偿、反应速度快的优点。孔压计与底座接口的连接方式为螺口连接，在连接螺丝上缠绕生料带，确保连接处不漏水、不漏气。安装好的渗透固结装置见图2。

图2 渗透固结装置

5）计算机数据处理系统。

孔压计与计算机数据采集和处理系统连接，计算机可以自动记录孔压值和采样时间，并导出Excel 文件。试验中可以根据固结进程的不同，设置不同的采样时间间隔。

1.2 装置的密封性能设计

传统固结仪的加压盖与固结筒内壁之间存在一定的缝隙，使得杠杆传递的压力没有阻力地施加于试样，试样中的水也可以顺畅地自由排出，因此不能满足渗透试验条件。利用渗透固结装置进行渗透试验时，需要精确读取变水头管内水柱的高度，就必须保证渗透固结容器是密封的。在固结试验中，荷载作用下活塞是一个运动体，会随着试样压缩变形而向下位移，此时既要保证活塞与固结筒内壁之间的密封性能，不能漏水漏气，又要尽可能减小活塞与固结筒壁之间的摩擦力，满足荷载精度要求。

按照渗透固结装置的密封性能要求，对活塞进行了特殊设计。如图3 所示，在距离活塞底端0.6 和1.6 cm 处的活塞侧壁上，加工了二道U 形槽，并在U形槽内安置了O 形密封圈，见图3(a)。在活塞底部加工了十字形压槽和二道环形压槽，方便排水、排气，见图3(b)。

图3 活塞构造

采用O 形橡胶密封圈虽然密封效果好，但也增大了活塞与固结筒内壁之间的摩擦力。经过试用多种材质的密封圈，发现硅胶材质的密封圈不仅能保证密封效果，而且与固结筒壁间的摩擦力也较小。为了进一步减小O 形密封圈与固结筒壁的摩擦力，在O 形密封圈和固结筒壁上涂抹适量的润滑剂。经过对比试验，显示活塞与固结筒内壁的摩擦力降到了最小程度。

试验前需通过活塞上的排气孔，将残留在渗透固结容器内的空气排出，以免影响试验结果。试样安装后对其进行预压，此时排气孔是开通的，可排出活塞底部与透水石之间的残留空气。试验开始时，将排气孔封闭。排气孔采用小型螺母加O 形密封垫圈密封，拧开密封螺丝能正常排气，拧紧密封螺丝能保证不漏水漏气。

2 应用实例

2.1 实例一

在大学本科土力学课程教学中，有关饱和土在外力作用下的渗透固结原理通常采用图4 的弹簧―活塞模型来解释。模型由一个盛满水的直立圆筒构成，上端装入一个带有弹簧的开孔活塞，圆筒侧壁装有一支测压管。弹簧代表土的骨架，圆筒中的水代表土中自由水，活塞上开孔模拟土的渗透性。模型的工作原理如下：

（1）当活塞顶面骤然有外加应力σ作用，此时圆筒中的水来不及排出，弹簧尚未变形而没有受力，弹簧应力σ′= 0，故外加应力等于圆筒中的水压u（σ=u），此时测压管水头高度h=σ γw，其中γw为水的重度；

（2）随着外加应力作用的延续，水从活塞开孔处不断排出，活塞逐渐下降，弹簧开始压缩并承担部分外加应力，测压管水头不断下降，水压逐渐降低；

（3）当圆筒中的水不再排出时，活塞停止下降，弹簧承担全部外加应力（σ σ′= ），测压管水头也降至与筒内水位平齐，外加应力引起的水压降至零（u=0 ）。

图4 弹簧―活塞模型

弹簧―活塞模型较为形象地刻画了饱和土的渗透固结过程：

（1）在外力作用下土体固结开始的一瞬间（时间t=0），土体骨架尚未受力，粒间有效应力σ′=0 ，外力等于孔压u；

（2）土的渗透固结过程中（0

（3）土的渗透固结完毕时（t=∞），土体骨架承受全部外力作用，孔压完全消散，即σ=σ′，u=0。

由此可见，饱和土的渗透固结过程就是有效应力不断增长，孔压逐渐消散的过程。

在土工试验课程教学中，过去利用传统固结仪进行固结试验，学生只能测量固结压力与试样变形，无法定量观测固结过程中的排水状况和孔压的变化；所进行的渗透试验也是无固结压力下的渗透试验。现在学生采用本文的渗透固结装置，可开展不同固结压力下的固结试验和渗透试验。首先进行某一级压力下的固结试验，测量试样的竖向变形，通过计算机数据处理系统采集孔压与固结时间的关系。当试样不再变形，孔压消散为零时，即可开始渗透试验，开启进水管阀，测量排水管里水量的变化，测得该固结压力下的渗透系数。渗透试验完毕后，再施加下一级固结压力，进行相应的固结试验和渗透试验。如此往复，直至完成最后一级固结压力下的固结试验和渗透试验。

图5 为固结试验中得到的不同固结压力下孔压随固结时间的变化曲线，对照弹簧―活塞模型对饱和土渗透固结过程的阐释，从中可发现几个不同之处。

（1）孔压并未在加载瞬间到达峰值，而是加载后有一个上升的爬坡阶段，时间持续大约10~20 s 后到达峰值，意味着孔压对外荷载的响应并非即时反应，而是存在着滞后效应。

（2）各级固结压力作用下，孔压峰值远低于对应的固结压力，与弹簧―活塞模型中表现出的加载瞬间固结压力全部由孔隙水来承担，孔压等于固结压力的特性相去甚远。

图5 孔压随固结时间的变化

实际上，孔压对固结压力响应的滞后现象并不罕见，许多学者在过去的试验中也发现了类似的现象[4,7-10]。尽管如此，试验现象与弹簧―活塞模型原理的反差仍引起学生的好奇。指导教师因势利导，就该现象开展讨论。学生广泛查阅文献资料，仔细分析试验装置和试验过程，对孔压响应滞后的原因，给出了几种不同的意见：一是孔压传感器的敏感性不足，对孔压的测量存在延迟效应；二是试样透水性能差，试样未完全饱和，透水石内含有气泡等因素，使得孔压传递受到阻碍，并认为土的渗透系数越小，孔压延迟效应越明显；三是试样、活塞、透水石与固结筒内壁之间的摩擦力及瞬时加载引起的动力效应等，也是导致孔压响应滞后的重要因素。通过讨论，学生对孔压滞后效应有了更深的了解。

对孔压峰值远低于固结压力的现象，学生们认为：土样难以达到完全饱和状态，加载系统无法实现真正意义上的瞬时加载，传感器测得的是试样底部而非顶部的孔压，活塞、透水石、试样与固结筒壁之间的摩擦力抵消了一部分外加荷载等因素，都是导致孔压峰值远低于固结压力的重要原因。通过讨论，学生分析和解决问题的能力得到了提高。

2.2 实例二

在大学本科土力学理论教学中，太沙基的一维固结理论假设土的渗透系数为常数。在以往的土力学实践教学环节中，固结试验和渗透试验一般是单独进行的，做渗透试验时也不考虑荷载的作用。因此，许多学生并不了解土的渗透性是会随着土的固结变化的，更不掌握固结过程中土的渗透系数的变化规律。

在土工试验教学中，指导教师要求学生对A、B、C 三种不同类型的土样，按照初始孔隙比分别为1.1、1.6、2.1，制备了A1.1、A1.6、A2.1、B1.1、B1.6、B2.1、C1.1、C1.6、C2.1 等9 种不同性质的试样，然后采用渗透固结装置对这9 种试样进行固结试验和渗透试验。在试验中，学生直接测得了渗透系数与固结压力、固结变形的关系，计算出了渗透系数与孔隙比、压缩系数、压缩指数、体积压缩系数、固结系数等压缩性指标之间的相关关系，总结出了渗透系数随固结压力、固结变形、固结系数的增大而减小，随孔隙比、压缩系数、压缩指数、体积压缩系数的增大而增大的变化规律。通过该试验，学生牢固掌握了土的渗透性质与固结特性的关系。

在整理试验数据过程中学生还发现，在不同的初始条件下，不同类型土样的渗透系数的对数值随孔隙比的变化均呈现近似的线性关系，如图6 所示。他们对试验数据进行回归分析，得到了拟合直线的关系式，拟合度R2在0.891~0.992 之间，说明了渗透系数的对数值与孔隙比的直线关系显著性水平较高。通过对试验数据的分析，进一步加深了学生对土的固结和渗透性关系的认识，培养了学生科研思维和分析问题的能力。

图6 渗透系数与孔隙比的关系

2.3 实例三

渗透固结装置不仅在土工试验教学中发挥出重要作用，同时还用于硕士研究生培养和大学生科技创新活动。例如，利用渗透固结装置模拟现场预堆载作用下吹填土的渗透固结状况，研究表明，适当的掺砂量可增大土体的渗透系数，加速吹填土的排水固结[11]；又如，针对南海岛礁建设迫切需要了解海源吹填土的渗透固结性质，利用渗透固结装置研究了不同初始条件下钙质砂―黏土混合物的渗透固结特性[12]；再如，针对吹填土地基普遍存在砂含量分布不均、粗细粒共存、级配不连续的工程实际问题，利用渗透固结装置研究了不同含砂量和砂粒径大小对吹填土地基渗透固结特性的影响[13]。通过这些研究，学生完成了硕士学位论文，研究成果对工程实践具有一定的参考价值。此外，一些本科生在科技创新活动中利用渗透固结装置研究海源土的渗透固结特性，成功获得了学校自主创新研究基金项目的支持。

3 结语

本文研制了一种渗透固结装置，除了能够交叉进行固结试验和渗透试验外，还能测定固结过程中试样的渗透系数和孔压的变化。装置构造简单，操作便捷，密封性能好。该装置应用于研究生的土工试验教学和大学生科技创新活动，促进了土力学理论与实践教学的融合，加深了学生对土力学理论知识的理解，提高了学生分析和解决问题的能力，还培养了学生的科研思维和动手实践能力。